红外线性质的研究与模拟演示实验仪器

摘要：红外线，作为电磁波谱中的一个重要波段，具有独特的物理性质。本文旨在探讨红外线的性质及其在各个领域的应用，追溯有关红外线实验的发展历程，模拟新一代红外线演示仪器，以进一步加深对红外线的理解，并推动其在科学研究和实际应用中的发展。

关键字：红外线，匹配性，穿透性，演示仪器，单片机

一、引言

红外线，又称红外辐射，是介于可见光和微波之间的电磁波。其波长范围为0.76-1000微米，具有热效应和共振效应等特点。在物理学中，高于绝对零度的物质都能产生红外线，这使得红外线在自然界中广泛存在，并在多个领域得到应用。当学生们不能通过具体的现象直观地观察红外线时，就难以透彻地理解它是如何匹配的，其传播距离与哪些因素有关以及光波强度的分布等问题。本项目设计的演示仪器可使演示实验的现象直观性更强、更形象生动，使学生身临其境，更好地理解、掌握所学的内容，以消除对红外线的神秘感，从而达到更好的教学效果。

二、红外线的性质

热效应：红外线具有显著的热效应，能够引起物质分子的振动和转动，进而产生热量。这种性质使得红外线在加热、干燥等领域具有广泛应用。

匹配性：红外线具有匹配性，可以实现远程遥控。许多设备，如电视的遥控器，都利用了红外线的这一特性。通过发出特定频率的红外线信号，设备可以接收并识别这些信号，从而实现远程控制。

共振效应：红外线的共振效应是指当红外线辐射与某些物质相互作用时，如果红外线的频率接近这些物质的固有振动频率，那么这些物质内部的分子或原子会产生共振现象。这种共振效应会导致物质内部的分子振动增强，进而使得能量更容易被吸收并转化为热能或其他形式的能量。红外线波长范围为0.76-1000微米，能与大多数分子发生共振现象，将光能转化为分子内能（热能）。这种共振效应使得红外线在分子光谱学、化学分析等领域具有独特的价值。

穿透性：红外线具有较强的穿透能力，能够穿透云雾、烟尘等障碍物，因此在遥感、通信等领域具有广泛的应用前景。

三、红外线光学性质实验演示仪器

本项目通过制作演示仪器，利用STM51单片机控制红外发射管发射指定要求的红外线，使用传动机构改变接收器的位置，将接收器获取的信号转变成指示灯的亮灭和屏幕上的光波强度等值线图，将红外线这一看不见摸不着的物质，通过具体的可视的现象，将其相关性质直观地展现出来。

红外线演示仪器可演示以下红外线光学性质：

红外匹配性研究：利用STM51单片机，在保持输入电压和功率不变的情况下，控制红外发射管发射不同编码和波形的红外线，并将数据显示于屏幕上，便于直观地区分所发射的不同红外线的差别。利用传动机构，固定y步进马达从而固定y值，改变x值使红外接收器与发射器相隔适合的距离。接收器将接收到的信号，进行光电放大和解调后传输给单片机，再由单片机解码使对应指示灯亮起。观察各个指示灯的亮灭情况，验证红外线匹配的对应性。

红外传播距离与电压和功率关系的研究：利用STM51单片机，控制红外发射管发射红外线，通过传动机构x、y步进马达控制接收器与发射器之间的距离，从而改变红外线传播的距离，当接收器能接收到发射器所射出的信号时，进行光电放大和解调后传输给单片机，单片机控制相应指示灯亮，反之，灯灭。当控制接收器的位置处于指示灯亮与灭的临界位置时，即为红外线传播的最大范围。改变输入电压和功率等因素，观察红外线传播的最大距离的变化情况，得出相关公式和结论。

红外线光波强度的研究：利用STM51单片机，控制红外发射管发射红外线，将原先的红外接收器换成LH-129红外光功率计探测头，通过传动机构x、y步进马达控制接收器与功率计探测头之间的位置关系，获得各个位置上的光波强度，并显示在屏幕上，再利用UNO R3开发板绘制出光波强度等值线，揭示红外线光波强度变化规律。

演示仪器主要运行模块，如图1所示。

①电源控制模块：系统各个功能模块提供电源。

②红外线光电转换发射模块：接收单片机的数字信号，发射包含数据信息的对应的红外光。

③控制电路模块：控制电路模块用于接收外界输入信号并产生输出信号改变单片机工作状态，当单片机MCU系统检测到控制电路改变状态后，根据控制电路状态改变输出信号。

④单片机控制模块：系统的核心模块部分，能够进行红外线的调码与解码工作，是软件系统的运行平台，控制整个系统的运行，实现改变红外线频率等三个实验所需的功能。

⑤LED模块：根据单片机输出信号改变亮灭状态。

⑥接收器位置控制模块：接收外界输入信号改变步进电动机工作状态，控制接收器移动和朝向。

⑦红外线光电转换接收模块：普通接收头接收包含数据信息的对应的红外光，并将光信号进行放大解调转换为数字信号，供单片机接收解码；LH-129探测头接受到的信号输出至屏幕成像模块。

⑧屏幕成像模块：根据LH-129探测头输入信号，利用UNO R3开发器绘制图像显示在屏幕上。

项目的硬件系统需要实现如下功能：LED驱动显示、数据编码、载波发送、数据解码、图像显示、接收器位置移动等主要功能。项目的硬件系统需要实现如下功能：LED驱动显示、数据编码、载波发送、数据解码等主要功能。

本项目的软件系统，如图2所示，需要完成的功能包括：红外线软件编码和解码、红外线载波发送与接收、红外线编解码算法设计、电源控制、旋钮控制电路功率控制、红外线频率控制、LED指示灯驱动显示、接收器位置调控、屏幕图像绘制。

四、展望

尽管红外线在许多领域已经取得了显著的应用成果，但仍有许多未知的领域等待我们去探索。因此，我们需要继续加强对红外线性质的研究，探索其在更多领域的应用可能性。同时，我们也需要关注红外线技术的创新和发展，推动其在实际应用中的普及和优化。相信在不久的将来，红外线将为我们带来更多的惊喜和突破。

参考文献：

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